Ядерный импульсный двигатель, катализируемый антивеществом
Ядерная импульсная двигательная установка, катализируемая антивеществом (также ядерная импульсная двигательная установка, катализируемая антипротонами ) — это вариант ядерной импульсной двигательной установки, основанный на введении антивещества в массу ядерного топлива для инициирования цепной ядерной реакции для движения, когда топливо обычно не имеет критическая масса .
Технически этот процесс не является «катализируемой» реакцией, поскольку антипротоны (антивещество), использованные для запуска реакции, расходуются; если бы они присутствовали в качестве катализатора, частицы не изменялись бы в процессе и использовались бы для инициирования дальнейших реакций. Хотя частицы антивещества могут быть произведены самой реакцией, они не используются для инициирования или поддержания цепных реакций. [1] [2]
Описание
[ редактировать ]Типичная ядерная импульсная двигательная установка имеет тот недостаток, что минимальный размер двигателя определяется минимальным размером ядерных бомб, используемых для создания тяги, которая зависит от количества критической массы, необходимой для инициирования реакции. Обычная конструкция термоядерной бомбы состоит из двух частей: первичной , которая почти всегда основана на плутонии , и вторичной, использующей термоядерное топливо, которым обычно является дейтерий в форме дейтерида лития и тритий (который создается в ходе реакции в виде лития). превращается в тритий). Существует минимальный размер первичной обмотки (около 10 кг для плутония-239), при котором достигается критическая масса. Более мощные устройства увеличиваются в размерах в первую очередь за счет добавления термоядерного топлива во вторичную обмотку. Из этих двух видов термоядерное топливо намного дешевле и выделяет гораздо меньше радиоактивных продуктов, поэтому с точки зрения стоимости и эффективности бомбы большего размера гораздо более эффективны. Однако использование таких больших бомб для приведения в движение космических кораблей требует гораздо более крупных конструкций, способных выдержать такое напряжение. Между этими двумя требованиями существует компромисс.
Вводя небольшое количество антивещества в докритическую массу топлива (обычно плутония или урана ), можно вызвать деление топлива. Антипротон имеет отрицательный электрический заряд , как и электрон , и аналогичным образом может быть захвачен положительно заряженным атомным ядром . Однако первоначальная конфигурация нестабильна и излучает энергию в виде гамма-лучей . Как следствие, антипротон движется все ближе и ближе к ядру, пока их кварки не смогут взаимодействовать антипротон, и протон аннигилируют , после чего и . Эта реакция высвобождает огромное количество энергии, часть которой выделяется в виде гамма-лучей, а часть передается в виде кинетической энергии ядру, вызывая его расщепление (реакция деления). Возникающий в результате поток нейтронов может вызвать быстрое деление окружающего топлива или даже ядерный синтез .
Нижний предел размера устройства определяется проблемами обращения с антипротонами и требованиями реакции деления, такими как структура, используемая для сдерживания и направления взрыва. Таким образом, в отличие от двигательной установки типа «Проект Орион» , которая требует большого количества ядерных взрывных зарядов, или различных двигателей на антивеществе, которые требуют невероятно дорогих количеств антивещества, ядерный импульсный двигатель, катализируемый антивеществом, имеет свои внутренние преимущества. [3]
термоядерного взрыва, катализируемого антивеществом, Концептуальный проект пакета физики представляет собой проект, в котором первичная масса плутония, обычно необходимая для воспламенения в обычном термоядерном взрыве Теллера-Улама , заменяется одним микрограммом антиводорода. В этой теоретической конструкции антивещество охлаждается гелием и магнитно левитирует в центре устройства в виде шарика диаметром в десятую долю миллиметра, положение, аналогичное первичному ядру деления в слоеном пироге / Слойки конструкция . . [4] [5] Поскольку антивещество должно оставаться вдали от обычного вещества до желаемого момента взрыва, центральную гранулу необходимо изолировать от окружающей полой сферы 100 граммами термоядерного топлива. Во время и после имплозивного сжатия фугасными линзами термоядерное топливо вступает в контакт с антиводородом. Реакции аннигиляции, которые начнутся вскоре после разрушения ловушки Пеннинга , должны обеспечить энергию для начала ядерного синтеза в термоядерном топливе. Если выбранная степень сжатия высокая, получается устройство с повышенным взрывным/движущим эффектом, а если низкая, то есть топливо не высокой плотности, из устройства выйдет значительное количество нейтронов, и нейтрон формы бомбы . В обоих случаях воздействие электромагнитного импульса и радиоактивные выпадения существенно ниже, чем у обычного устройства деления или устройства Теллера-Улама той же мощности, примерно 1 кт. [6]
Сумма, необходимая для термоядерного устройства
[ редактировать ]Число антипротонов, необходимое для запуска одного термоядерного взрыва, было рассчитано в 2005 году в 10 18 , что означает микрограммовое количество антиводорода. [7]
Также возможен тюнинг характеристик космического корабля. Эффективность ракеты сильно зависит от массы используемой рабочей массы , которой в данном случае является ядерное топливо. Энергия, выделяемая данной массой термоядерного топлива, в несколько раз превышает энергию, выделяемая той же массой ядерного топлива. Для миссий, требующих коротких периодов высокой тяги, таких как межпланетные полеты с экипажем, может быть предпочтительнее чистое микроделение, поскольку оно уменьшает количество необходимых топливных элементов. Для миссий с более длительными периодами более высокой эффективности, но с меньшей тягой, таких как зонды внешних планет, может быть предпочтительнее сочетание микроделения и термоядерного синтеза, поскольку это уменьшит общую массу топлива.
Исследовать
[ редактировать ]Эта концепция была изобретена в Университете штата Пенсильвания до 1992 года. С тех пор несколько групп изучали в лаборатории двигатели микроделения/синтеза, катализируемые антивеществом. [8] Работа по термоядерному синтезу, инициированному антипротонами, проводилась в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса еще в 2004 году. [9] В отличие от большой массы, сложности и рециркуляционной мощности обычных двигателей для термоядерного синтеза с инерционным удержанием (ICF), аннигиляция антипротонов предлагает удельную энергию 90 МДж / мкг и, следовательно, уникальную форму упаковки и доставки энергии. В принципе, антипротонные двигатели могли бы обеспечить значительное снижение массы системы для перспективных космических двигателей с помощью ICF.
ICF, управляемый антипротонами, является спекулятивной концепцией, и обработка антипротонов и требуемая точность их введения — во времени и пространстве — представят значительные технические проблемы. Хранение низкоэнергетических антипротонов, особенно в форме антиводорода , и манипулирование ими — это наука, которая находится в зачаточном состоянии, и для начала серьезной программы исследований и разработок для таких применений потребуется крупномасштабное увеличение производства антипротонов по сравнению с нынешними методами доставки. .
Рекорд по хранению антивещества чуть более 1000 секунд, установленный на объекте ЦЕРН в 2011 году, был на тот момент монументальным скачком по сравнению с миллисекундными временными рамками, которые ранее были достижимы. [10]
Общее мировое производство антипротонов за год находится в пределах нанограммов. Ловушка антивещества (версия Mark 1) в Университете штата Пенсильвания способна хранить 10 миллиардов в течение примерно 168 часов. Проект «Икар» оценил потенциальную стоимость производства 1 миллиграмма антипротона в 100 миллиардов долларов. [11]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кирхер, Скотт. «деление-слияние» . ffden-2.phys.uaf.edu ( Университет Аляски в Фэрбенксе ) . Проверено 2 июля 2021 г.
- ^ «катализ существительное» . www.merriam-webster.com ( Мерриам-Вебстер ) . Проверено 2 июля 2021 г.
- ^ Кирхер. «Антиматерия: деление/термоядерный двигатель» . Проверено 8 октября 2012 г.
- ^ Дэвид Олсон, Пэт Ли (3 июня 2010 г.). «Ядерный синтез. Химическое объяснение» . Страница 11.
- ^ «Виды ядерного оружия» . Архив ядерного оружия . 1.5.3 Дизайн будильника/слоеного торта.
- ^ Андре Гспонер, Жан-Пьер Гурни. «Оружие из антивещества» . Университетский компьютерный центр . Женевский университет. Рисунок 2: Водородная бомба, вызванная антивеществом.
- ^ Гспонер, Андре; Хурни, Жан-Пьер (2005). «Термоядерный синтез, вызванный антиматерией, и термоядерные взрывы». arXiv : физика/0507125 .
- ^ «Движительные системы микроделения/термоядерного синтеза с антипротонным катализом для исследования внешней Солнечной системы и за ее пределами» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 24 августа 2012 года . Проверено 8 октября 2012 г.
- ^ Перкинс; Орт; Табак (2004). «О полезности антипротонов в качестве движущей силы термоядерного синтеза» (PDF) . Ядерный синтез . 44 (10): 1097. Бибкод : 2004NucFu..44.1097P . дои : 10.1088/0029-5515/44/10/004 . ОСТИ 15013833 . S2CID 250744699 . Проверено 1 августа 2018 г.
- ^ Альфа-сотрудничество; Андресен, Великобритания; Ашкезари, доктор медицинских наук; Бакеро-Руис, М.; Берче, В.; Боу, PD; Батлер, Э.; Сезар, CL; Чарльтон, М.; Деллер, А.; Эрикссон, С.; Фаянс, Дж.; Фризен, Т.; Фудзивара, MC; Гилл, доктор медицинских наук; Гутьеррес, А.; Хангст, Дж.С.; Харди, Западная Нью-Йорк; Хаяно, РС; Хайден, Мэн; Хамфрис, Эй Джей; Хидомако, Р.; Джонселл, С.; Кемп, СЛ; Курчанинов Л.; Мэдсен, Н.; Менари, С.; Нолан, П.; Ольчанский, К.; и др. (2011). «Удержание антиводорода в течение 1000 секунд». Физика природы . 7 (7): 558–564. arXiv : 1104.4982 . Бибкод : 2011NatPh...7..558A . дои : 10.1038/nphys2025 . S2CID 17151882 .
- ^ Обуси, Ричард К. «Проект Икар: термоядерный двигатель, катализируемый антивеществом, для межзвездных миссий. Часть 3. Термоядерный двигатель, катализируемый антивеществом, для межзвездных миссий» (PDF) . www.icarusinterstellar.org (Икар Интерстеллар Инк.) . п. 12. Архивировано из оригинала (PDF) 21 декабря 2018 года . Проверено 2 июля 2021 г.
